松下、佳能、索尼手中也有技术，为何只有适马钟情于三层传感器呢？

在CP+2019上，适马宣布复活3层传感器Foveon X3，在2020年发布搭载该CIS的L卡口全画幅相机。Foveon X3不是什么新技术，早在2002年适马发布了基于该传感器相机SD9，松下、佳能、索尼手中也有类似专利，那为何只有适马钟情于三层传感器呢?

 

 

Foveon X3技术源自于美国的Foveon公司，适马SD9上的Foveon X3传感器也是来自Foveon公司。不过在2008年适马趁着金融危机，众多企业价值被低估之际，从美国国家半导体、Synaptics Inc.、New Enterprise Associates以及Franklin Templeton四家公司收购了Foveon公司的所有股，自从Foveon成为适马全资子公司，Foveon X3传感器从此成为适马产品。

 

 

▲适马SD9

 

 

▲松下、佳能、索尼手中也有3层传感器专利

在SD9时代数码相机是依靠拜尔阵列拍摄彩色照片的(现在也是)，拜尔阵列以4×4个为阵列，每一个阵列由8个绿色、4个蓝色和4个红色像素组成，以RGGB形式排列，处理时2×2矩阵进行9次运算，最后生成一张彩色图像。拜尔阵列优势相当明显，只要像素多于1万即可生成彩色图像，所有像素水平布置，生产简单，对处理器要求较低。缺点也相当明显，每一个像素只能捕捉一种颜色，也就是说丢失了1/2绿光，3/4红光与蓝光，必须插值处理，因此实际分辨率低于理论值，摩尔纹、伪色相当明显。

 

 

▲Foveon X3与拜尔阵列对比

Foveon X3不同，是一个立体的像素阵列。它分为三层，自上而下分别是蓝色像素层、绿色像素以及红色像素，这样排列是因不同波长的光所能穿透半导体硅深度不同决定的。同时B:G:R像素数量比例为1:1:1，上层像素(光电二极管)最薄，这样能透出更多光线到下层，越往下层像素越厚，以增强底层像素光电转换效率。使用Foveon X3传感器的SD9一发布就展现出巨大优势，分辨率远超同像素相机，没有伪色、摩尔纹，但缺点同样巨大，高感差，耗电量高，连拍慢，色彩还原不准。

 

 

▲Foveon X3三层像素排列不是效果图那么整齐的，而是上小下大

为了克服Foveon X3的不足，适马在2014年发布DP Quattro系列相机上使用了改进型的Foveon X3 Quattro传感器。Foveon X3 Quattro传感器继续采用了三层像素结构，改变了每一层像素比例，B:G:R比例为4:1:1。Foveon X3没有拜尔阵列上的三原色滤镜，每一层像素过滤颜色并不精准，容易产生不必要的“杂色”，也难以区分出微小差异，必须使用一套非常复杂的猜色算法。Foveon X3 Quattro改变了三原色像素比例，绿色、红色像素只有蓝色像素四分之一，亮度信息主要由顶层蓝色像素捕捉，绿色、红色像素专注于捕捉色度信息。在付出小小的分辨率代价后，Foveon X3 Quattro有效减少“杂色”，改善色彩还原，绿色、红色像素变大，高感有所提升。

 

 

▲Foveon X3(左)与Foveon X3 Quattro(右)

新Foveon X3 Quattro看起来是那么完美，那佳能、松下、索尼为何不用三层传感器呢?适马没有公布Foveon X3、Foveon X3 Quattro传感器技术指标，但再2017来自伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校、圣路易斯华盛顿大学和英国剑桥大学研人员发表的论文中(Bio-inspired color-polarization imager for real-time in situ imaging)，提及了他们设计三层传感器性能——像素为1280×720，量子效率(QE)大于30%。30% QE是一个什么样的概念呢，D800上使用的索尼IMX094传感器量子效率达到了56%，索尼工业用背照传感器IMX342的量子效率为64.64%，可见三层传感器在层层阻挡下QE效率暴跌，即使改为BSI结构也无法缩小与拜尔阵列巨大的性能、高感差距。适马敢于在L卡口相机回归Foveon X3更可能是依仗全画幅，运算性能更强的处理器，甚至是多帧降噪技术。

 

 

在层层光电二极管削减下，3层传感器量子效率始终不佳

Foveon X3是一种优势劣势都极为明显3层传感器，它能创造出极致分辨率，除此之外一无是处，基于该传感器的相机用途非常单一，适马全幅L卡口全幅相机注定用途有限。松下、佳能、索尼相机是卖给大众消费者的、专业摄影师，更讲求各项性能均匀，与其耗费大量晶体管实现3层结构，不如去实现全局快门、双增益等技术。